6 lezione

Un po' di fisica nucleare:
La radioattività
at
e
ve
de
n
d=
o.
.
La radioattività
La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei si
trasformano in altri emettendo particelle. La radioattività
non è stata inventata dall'uomo, ma è un fenomeno
naturale, presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei
nostri stessi corpi.
Il nucleo dell’atomo è composto da protoni (carica elettrica
positiva,+) e da neutroni (carica nulla).
L'atomo è elettricamente neutro: il nucleo è circondato da
elettroni (carica -), uguali in numero ai protoni presenti
nel nucleo.
La radioattività: isotopi
La struttura dell’atomo è la stessa per tutti gli elementi chimici
che conosciamo. Quello che cambia da un elemento all’altro
è il numero dei protoni e dei neutroni che l’atomo
contiene.
Il numero totale di protoni nel nucleo viene chiamato
“numero atomico” e si indica con la lettera Z. L'elemento
chimico con 8 protoni è l'ossigeno (O), quello con 26 p è il
ferro, quello con 79 p è l'oro, quello con 92 p è l'uranio...
Poiché in un nucleo di una data specie possono essere presenti
anche N neutroni, la somma A=N+Z viene chiamata
numero di massa.
I nuclei con lo stesso valore di Z ma diverso valore di A
(ossia, con un numero diverso di neutroni) vengono
chiamati isotopi.
La radioattività: i
decadimenti
Gli isotopi presenti in natura sono quasi tutti stabili.
Tuttavia, alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi
artificiali, sono instabili, a causa di un eccesso di protoni
e/o di neutroni. Tale instabilità provoca la
trasformazione spontanea in altri isotopi accompagnata
dall'emissione di particelle. Questi isotopi sono detti
isotopi radioattivi.
La trasformazione di un nucleo radioattivo porta alla
produzione di un altro nucleo, che può essere anch'esso
radioattivo oppure stabile. Essa è chiamata decadimento
radioattivo.
La radioattività: la vita
media
Il tempo medio che occorre aspettare
(che può essere
estremamente breve o estremamente lungo) viene
detto “vita media” del radioisotopo e può variare da
frazioni di secondo a miliardi di anni.
La prima unità di misura introdotta per esprimere
l’attività di una sostanza radioattiva fu il curie :
corrisponde all’attività di circa 1 g di radio, e vale
37.000 miliardi di disintegrazioni al secondo.
Nel Sistema Internazionale, in luogo del curie si
adotta il più pratico bequerel
, che corrisponde
a 1 disintegrazione al secondo.
Il decadimento radioattivo è un processo nel quale i nuclei
degli atomi di sostanze radioattive si disintegrano rilasciando
radiazioni. Ci sono tre tipi principali di decadimento:
Radiazioni alfa, beta e
gamma
Esistono tre diversi tipi di decadimenti radioattivi, che si
differenziano dal tipo di particella emessa a seguito del
decadimento. Le particelle emesse vengono indicate col
nome generico di radiazioni.
alfa
beta
gamma
Il decadimento alfa consiste
nell’
nell’emissione da parte di un
nucleo di una particella costituita
da due protoni e due neutroni; in
sostanza, di un nucleo di elio.
elio. Il
nucleo figlio ha un numero
atomico Z inferiore di due unità
unità
rispetto al nucleo padre e un
numero di massa A inferiore di
quattro unità
unità.
torio
Ad esempio, l’isotopo dell’uranio con numero
di massa 238 si trasforma nel nucleo
dell’elemento con numero di massa 234,
avente due protoni e due neutroni in meno: il
torio 234.
La radioattività –
Decadimento
α
In seguito ad un decadimento alfa, il nucleo (Z,A)
emette una particella α (= un nucleo di elio = 2
protoni+ 2 neutroni) e si trasforma in un nucleo
diverso, con numero atomico (Z - 2) e numero di
massa (A – 4).
Le radiazioni α sono
poco penetranti e
possono essere
completamente
bloccate da un
semplice foglio di
carta
La radioattività –
Decadimento
β
-
Decadimento β: Il nucleo emette un e e un antineutrino
e si trasforma in un nucleo con carica (Z+1), ma stesso
numero di massa A.
Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle α, ma
sono bloccate da piccoli spessori di materiali metallici
La versione del decadimento beta
meno comporta la trasformazione di
un neutrone del nucleo instabile in
un protone, con emissione di una
particella beta (un elettrone) e di
un’altra particella estremamente
leggera e sfuggente, chiamata
antineutrino elettronico; in
sostanza, questo tipo di decadimento
trasforma il nucleo instabile di
partenza in un nucleo dell’elemento
successivo della tavola periodica
(quello con il numero Z maggiore di
un’unità).
Disintegrazione β
Quando dal nucleo di un atomo viene emessa una
particella β−, essa priva il nucleo di una carica
negativa
questa perdita può essere interpretata come la
trasformazione di un neutrone in un protone
il numero atomico del nuclide prodotto aumenta di 1
(Z+1)
Il decadimento beta più,
invece, consiste nella
trasformazione del nucleo
instabile in un nucleo
dell’elemento precedente
della tavola periodica
(quello con Z minore di
un’unità): fisicamente, un
protone si trasforma in
un neutrone, emettendo
un positrone (un elettrone
positivo) e un neutrino
elettronico.
Palladio in rodio
Titanio in scandio
Altre modalità di
disintegrazione
Nella cattura elettronica un
nucleo cattura uno dei propri
elettroni e si ha la
diminuzione del numero
atomico di una unità (Z-1)
Nell'emissione di positroni, viene
emesso un positrone (carica +1), ed
il numero atomico si riduce di una
unità (Z-1)
La radioattività –
Decadimento
Decadimento γ: Il nucleo
non si trasforma maγpassa in
uno stato di energia inferiore ed emette un fotone; la
radiazione gamma accompagna spesso quella α o β.
Al contrario delle radiazioni α e β, le radiazioni γ sono
molto penetranti, e per bloccarle occorrono materiali
ad elevata densità come il piombo.
Utilizzo: terapie
oncologiche
Il decadimento gamma
consiste nell’emissione di
radiazione elettromagnetica
ad alta frequenza. Si può
verificare quando un isotopo
esiste in due diverse
forme, chiamate isomeri
nucleari, che hanno numero
atomico e numero di massa
identici, ma differente
energia. L’emissione di
raggi gamma accompagna la
transizione dell’isomero di
alta energia a quello di
energia minore.
il decadimento gamma si può
verificare in combinazione con un
decadimento alfa o beta, per
consentire la diseccitazione del
nucleo figlio.
(fm)
Lunghezza d’onda,
(Å) (nm)
(mm) energia
(µm)
(cm)
frequenza,
λ (m)
10–14
RAGGI
GAMMA
10–10
RAGGI
X
ν
(Hz)
10–12
1022
1020
GeV
MeV
109
106
10–8
ULTRA-VIOLETTO
1018
Raggi X :
10–6
keV
103
1016
INFRA-ROSSO
10–2
MICRO
ONDE
(m)
102
1
λ
ONDE
RADIO
ν
1014
1012
VISIBILE
1010
108
λν = c
E
(eV)
10–4
λ≈
ν≈
E ≈
10 ÷ 10–3 Å
1017 ÷ 1021 Hz
10 eV ÷ 200 keV
106
(Hz)
E = hν
ν
Il tempo medio che occorre
aspettare per avere una
trasformazione radioattiva naturale
può essere estremamente breve o
estremamente lungo. Esso viene
detto “vita media” del radioisotopo e
può variare da frazioni di secondo a
miliardi di anni (per esempio, il
potassio-40 ha una vita media di 1.8
miliardi di anni).
Legge del decadimento radioattivo
Il decadimento radioattivo avviene con la legge statistica:
dN /dt = -λ N
N = numero di atomi presenti al tempo t;
λ = costante di decadimento: probabilita’ che ogni singolo nucleo
ha di decadere nell’unita’ di tempo.
La legge del decadimento radioattivo:
N(t) = N0e-λt
N0 = numero di nuclidi presenti all’istante t=0
Legge esponenziale
negativa
Il decadimento radioattivo è un processo statistico
a probabilità costante (= indipendente dal tempo)
Il n.di nuclei rimasti diminuisce nel tempo
con legge esponenziale negativa
... provare per credere... lancio delle monete
L’AMERICIO 241
plutonio
241
94
Pu
nettunio
decad. β
T1/2=13 anni
decad. α
237
T1/2=433 anni
93
Np
Viene considerato stabile
Perche ha un tempo di dimezzamento
di 2,2 106 anni.
Isotopes
Tritium (3H)
Liquid Scintillation Counters
Photomultiplier Tubes
Electronic Noise
3H
14C
32P
log Scale
Isotopes
Tritium (3H)
Blank:
Prepare blank exactly as samples
without activity
Radionuclide standard:
•
•
•
•
Amount of spike = expected activity in
sample
Prepare exactly as all samples are
prepared
Count exactly as samples are counted
CPM from spiked sample/DPM of spike
= Efficiency in CPM/DPM
Come e’ fatta una
gammacamera
I fotoni, emessi dai radionuclidi, attraversano un collimatore e
vengono rivelati da uno scintillatore solido (NaI).
La luce emessa dallo scintillatore, attraverso guide di luce, incide
su una griglia di fotomoltiplicatori (PM) che la convertono in segnali
elettrici. Mediante circuiti di calcolo delle coordinate e sistemi di
correzione i segnali, prelevati dai vari PM, vengono elaborati per
ricostruire un’immagine sul monitor, che rappresenta la mappa della
distribuzione dei radionuclidi gamma-emittenti nell’organo in
esame. L’apparato e’ provvisto di schermatura ottica e radiante.